基于通用模數(shù)變換器的袖珍數(shù)字毫歐計(jì)電路設(shè)計(jì)

日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院 賈仟偉 吳 健

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基于通用模數(shù)變換器的袖珍數(shù)字毫歐計(jì)電路設(shè)計(jì)

日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院 賈仟偉 吳 健

【摘要】在工作和科研中，經(jīng)常需要測(cè)量小阻值電阻。采用以電池、模數(shù)變換器為主體而設(shè)計(jì)制作的數(shù)字毫歐計(jì)可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，并且整機(jī)尺寸小巧，便于攜帶。

【關(guān)鍵詞】模數(shù)變換器；數(shù)字毫歐計(jì)

0　引言

在工作和科研中，經(jīng)常需要測(cè)量小阻值電阻。萬(wàn)用表可以測(cè)電阻，但測(cè)量10歐姆以下的小阻值時(shí)誤差太大或不能勝任。電機(jī)、變壓器繞組以及電線、電纜、電路板印刷線等等的電阻值都很小，要測(cè)量其阻值實(shí)施質(zhì)量和故障判斷，就需要毫歐計(jì)。較早的毫歐計(jì)是使用凱爾文電橋，4線測(cè)量并使用標(biāo)準(zhǔn)電阻，機(jī)器大而復(fù)雜，使用不便。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了以小的恒定電流流過(guò)被測(cè)電阻，通過(guò)測(cè)量電阻上的壓降獲知其阻值的儀器。但這些儀器要依靠交流市電工作，形體、重量仍然大，適用范圍仍受限。

1　電路基本原理

我們?cè)谠囼?yàn)的基礎(chǔ)上，采用以電池、模數(shù)變換器為主體而設(shè)計(jì)制作的數(shù)字毫歐計(jì)可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，并且整機(jī)尺寸小巧，便于攜帶。

測(cè)量基本原理是利用3節(jié)1.5V五號(hào)電池構(gòu)成4.5V電源并利用該電源制作一個(gè)高精度恒流源。高精度恒流源輸出的恒定電流流過(guò)被測(cè)電阻。被測(cè)電阻兩端的電壓被模數(shù)變換器進(jìn)行測(cè)量并換算成電阻值，通過(guò)顯示器顯示。

2　電路組成

整機(jī)分為5個(gè)功能塊，分別是高精度恒流源、使ICL7106獲得適用電壓的鏡像負(fù)電壓變換器、開(kāi)機(jī)定時(shí)器、模數(shù)變換及顯示系統(tǒng)及輔助功能。各功能塊的具體說(shuō)明如下：

2.1高精度恒流源

本機(jī)的高精度恒流源如圖1所示。VR1（型號(hào)：TL431）是高精度電壓基準(zhǔn)器件，在圖1中它的兩端有2.5V的恒定電壓。由于運(yùn)算放大器兩輸入端的等值特性，R4兩端的電壓也是2.5V。根據(jù)歐姆定律，在被測(cè)電阻RX處于量程范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)R4和RX的電流為30.12毫安。運(yùn)算放大器對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管TR3的控制不是直接控制，而是通過(guò)R10和D1進(jìn)行，這是為了使TR3柵極電壓有0.3V的提高，使低電壓下工作的恒流源數(shù)值更適應(yīng)所用電池的能耗。與恒流源電流數(shù)值密切相關(guān)的電阻R4需要有高度的穩(wěn)定性，為避免因通過(guò)電流生熱而發(fā)生阻值飄移，應(yīng)由2個(gè)以上的功率較大的電阻串聯(lián)或并聯(lián)而成。

2.2鏡像負(fù)電壓變換器

圖2所示的是一個(gè)鏡像負(fù)電壓變換器。芯片7660S第3腳接電源零，第8腳接1.5-12V范圍內(nèi)的正電壓，其第5腳輸出的是與第8腳等值的負(fù)電壓，在本圖中它輸出-4.5V。輸出端有大約60歐內(nèi)阻。

正、負(fù)4.5V的電壓為模數(shù)變換器提供了標(biāo)準(zhǔn)的電源。

2.3開(kāi)機(jī)定時(shí)器

開(kāi)機(jī)定時(shí)器電路如圖3所示，為避免忘記關(guān)機(jī)的意外耗電而設(shè)。瞬間按動(dòng)雙聯(lián)式開(kāi)機(jī)開(kāi)關(guān)SW1，電路右側(cè)將有正負(fù)4.5V工作電壓并由定時(shí)電路維持大約4分鐘；瞬間按動(dòng)關(guān)機(jī)開(kāi)關(guān)SW2，則正負(fù)4.5V工作電壓會(huì)被立刻關(guān)斷。電容器C3和電阻R3是時(shí)間元件。

圖1　高精度恒流源

圖2　鏡像負(fù)電壓變換器

圖3　開(kāi)機(jī)定時(shí)器

2.4模數(shù)變換及顯示系統(tǒng)

模數(shù)變換器采用低功耗、高分辨率、高可靠性而廉價(jià)的ICL7106。它需要9V的電源，但需要的電流很小，僅1.8毫安。用4.5V電源變換出它需要的電壓，就免去了對(duì)它的9V電池配備。

模數(shù)變換器ICL7106與液晶屏EDS803搭配構(gòu)成模數(shù)變換及顯示系統(tǒng)，二者之間的筆段連接一一對(duì)應(yīng)。ICL7106具有10微伏的分辨率。如果被測(cè)阻值是1毫歐，該阻值上的電壓降將是30.12微伏，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了ICL7106的基本分辨率，確保了其測(cè)量準(zhǔn)確性和抗干擾性。

儀器需要節(jié)距校準(zhǔn)和實(shí)時(shí)的零點(diǎn)校準(zhǔn)，電路如圖4所示。為防止數(shù)字漂移和閃動(dòng)，兩種校準(zhǔn)都需要高度穩(wěn)定的電壓。在這里由R9和VR2構(gòu)成一個(gè)2.5V穩(wěn)壓源，由W2利用該電壓進(jìn)行節(jié)距校準(zhǔn)，R15和R17決定上、下限定值；由W3利用該電壓進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)，以消除測(cè)量引線造成的偏差。R16使得零點(diǎn)調(diào)節(jié)電位器與測(cè)量引線更匹配，便于精準(zhǔn)調(diào)零。表筆線用接線柱緊固，表筆測(cè)量搭接端宜為銀質(zhì)。

在測(cè)量輸入端并聯(lián)有極性相反的二極管D3、D4，對(duì)儀表實(shí)施防超壓保護(hù)。

圖4　校準(zhǔn)電路

2.5輔助功能

輔助功能包括自身電池能量檢測(cè)和檔位轉(zhuǎn)換。

由HA17358的1、2、3腳及相關(guān)電路（見(jiàn)圖4）構(gòu)成電壓判斷器。當(dāng)電池電能基本耗盡時(shí)，HA17358的1腳呈高電位，通過(guò)4異或門(mén)CD4070第11腳使液晶屏顯示“LOWBAT”字樣。

檔位變換使儀器具有測(cè)量0.001-1.999歐（低阻檔）和0.1-199.9歐（高阻檔）兩個(gè)檔位，恒流源電流在高阻檔時(shí)是低阻檔的百分之一。通過(guò)雙聯(lián)開(kāi)關(guān)切換。小數(shù)點(diǎn)的位置隨檔而變。由于液晶屏的顯示筆段不能用直流電壓驅(qū)動(dòng)，利用ICL7106第21腳的背極交流信號(hào)與相關(guān)控制信號(hào)進(jìn)行“異或”邏輯處理后驅(qū)動(dòng)液晶屏的相關(guān)筆段。

3　結(jié)語(yǔ)

本毫歐計(jì)測(cè)量分辨率達(dá)0.001歐，結(jié)構(gòu)小巧，器件價(jià)廉，為毫歐測(cè)量增加了手段。所用模數(shù)變換器ICL7106具有廣泛的適用性。就本設(shè)計(jì)而言，采用鏡像負(fù)電壓變換的思路拓展了它的電源適用空間；如果取消其“恒流源”，將“調(diào)零”改為抗干擾和抗靜電，電路稍變，經(jīng)過(guò)校驗(yàn)就會(huì)成為能測(cè)量到微伏級(jí)的高精度電壓表。

參考文獻(xiàn)

［1］趙少波.毫歐姆級(jí)電阻測(cè)量電路設(shè)計(jì)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2001，22（4）：136-138.

作者簡(jiǎn)介：

賈仟偉（1980—），女，山東莒縣人，研究生，講師，主要從事自動(dòng)化及汽車(chē)教學(xué)科研工作。